生物化學(xué)第13章核酸的結(jié)構(gòu)課件

第13章核酸的結(jié)構(gòu)(Structureofnucleicacid)一、核苷酸二、核酸的共價(jià)結(jié)構(gòu)三、DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)四、RNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)第13章核酸的結(jié)構(gòu)(Structureofnuclei1核酸的組成成分核糖堿基核苷酸核糖核酸RNA核苷磷酸聚合脫氧核糖堿基

脫氧核苷酸

脫氧核糖核酸DNA脫氧核苷磷酸聚合核酸的組成成分核糖核苷酸核糖核酸核苷磷酸聚合脫氧核糖脫氧2一、核苷酸一、核苷酸3核酸中的堿基種類DNARNA嘌呤堿腺嘌呤鳥(niǎo)嘌呤腺嘌呤鳥(niǎo)嘌呤嘧啶堿胞嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶尿嘧啶核酸中的堿基種類DNARNA嘌呤堿腺嘌呤腺嘌呤嘧啶堿胞嘧啶胞4嘌呤環(huán)和嘧啶環(huán)的結(jié)構(gòu)嘌呤環(huán)和嘧啶環(huán)的結(jié)構(gòu)5核酸中的嘌呤和嘧啶核酸中的嘌呤和嘧啶6堿基酮式和烯醇式的互變異構(gòu)堿基酮式和烯醇式的互變異構(gòu)7稀有堿基稀有堿基8幾種嘌呤堿基

次黃嘌呤（I）黃嘌呤（X）尿酸

茶葉堿可可堿咖啡堿幾種嘌呤堿基次黃嘌呤（I）黃嘌呤9核糖和脫氧核糖核糖（鏈?zhǔn)剑┖颂牵ōh(huán)式）脫氧核糖（鏈?zhǔn)剑┟撗鹾颂牵ōh(huán)式）核糖和脫氧核糖核糖（鏈?zhǔn)剑┖颂牵ōh(huán)式）脫氧核糖（鏈10核苷

(nucleoside)糖苷鍵堿基上的原子以數(shù)字編號(hào)，核糖上的原子以加撇的數(shù)字編號(hào)。核苷(nucleoside)糖苷鍵堿基上的原子以數(shù)字編號(hào)，11DNA和RNA中的各種核苷DNA和RNA中的各種核苷12核苷酸

(nucleotide)核苷酸(nucleotide)13核苷酸

(nucleotide)5’-腺苷酸3’-腺苷酸2’-腺苷酸核苷酸(nucleotide)5’-腺苷酸14多磷酸核苷酸多磷酸核苷酸15環(huán)化核苷酸（cAMP）（cGMP）環(huán)化核苷酸（cAMP）16二、核酸的共價(jià)結(jié)構(gòu)5’3’二、核酸的共價(jià)結(jié)構(gòu)5’3’17核酸中核苷酸的連接方式5’3’核酸中核苷酸的連接方式5’3’18核酸結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)寫(xiě)式5’3’核酸結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)寫(xiě)式5’3’19兩種磷酸二酯酶的水解位點(diǎn)兩種磷酸二酯酶的水解位點(diǎn)20三、DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)

Chargaff

等在20世紀(jì)40年代應(yīng)用紙層析及紫外分光光度技術(shù)測(cè)定各種生物DNA的堿基組成，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，DNA的堿基組成具有生物種的特異性。不同物種的DNA有其獨(dú)特的堿基組成，而同一物種不同組織和器官的DNA堿基組成是一樣的，不受生長(zhǎng)發(fā)育、營(yíng)養(yǎng)狀況以及環(huán)境條件的影響。

DNA堿基組成的Chargaff規(guī)則三、DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)Chargaff等在20世紀(jì)421不同生物DNA的堿基組成Ⅰ不同生物DNA的堿基組成Ⅰ22不同生物DNA的堿基組成Ⅱ（1）A=T（2）G=C（3）嘌呤堿基的總數(shù)等于嘧啶堿基的總數(shù)，即A+G=C+T。這個(gè)規(guī)則為Watson和Crick提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)提供了重要根據(jù)。

不同生物DNA的堿基組成Ⅱ（1）A=T（2）G=23DNA的X光衍射圖DNA的X光衍射圖24DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)Ⅰ

1953年，Watson和Crick提出了DNA分子的雙螺旋模型，并因此和威爾金斯一起分享了1962年的諾貝爾醫(yī)學(xué)或生理學(xué)獎(jiǎng)。DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)Ⅰ1953年，Watson和Cric25DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)ⅠDNA分子雙螺旋模型具有以下特征：（1）兩條反向平行的多核苷酸鏈圍繞同一中心軸相互纏繞，兩條鏈均為右手螺旋。（2）嘌呤與嘧啶堿位于雙螺旋的內(nèi)側(cè)，磷酸與核糖形成的主鏈在外側(cè)，堿基平面與縱軸垂直，糖環(huán)平面與縱軸平行。兩條鏈的配對(duì)偏向一側(cè)，形成一條大溝和一條小溝。DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)ⅠDNA分子雙螺旋模型具有以下特征：26DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)27DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)Ⅱ（3）雙螺旋的平均直徑為2nm，兩個(gè)相鄰的堿基對(duì)之間相距的高度，即堿基堆積距離為0.34nm，兩個(gè)核苷酸之間的夾角為36°。因此，沿中心軸每旋轉(zhuǎn)一圈有10個(gè)核苷酸，每一圈的高度（螺距）為3.4nm。（4）兩條核苷酸鏈依靠彼此堿基之間形成的氫鍵而結(jié)合在一起，A必須與T配對(duì)，G必須與C配對(duì)。AT之間形成兩個(gè)氫鍵，GC之間形成3個(gè)氫鍵。（5）堿基在一條鏈上的排列順序不受任何限制，但根據(jù)堿基配對(duì)的原則，當(dāng)一條鏈上的堿基序列確定后，另一條鏈上的堿基序列必須與之互補(bǔ)。兩條鏈互為互補(bǔ)鏈。

DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)Ⅱ（3）雙螺旋的平均直徑為2nm，兩個(gè)相鄰的28配對(duì)堿基之間的氫鍵配對(duì)堿基之間的氫鍵29配對(duì)堿基之間的氫鍵配對(duì)堿基之間的氫鍵30堿基堆積力

Thebasesarestackedontheinsideofthestructure;theseheterocyclicbases,asaconsequenceoftheirπ-electronclouds,arehydrophobicontheirflatsides.堿基堆積力Thebasesarestacked31堿基堆積力使DNA成為雙螺旋

堿基堆積力使DNA成為雙螺旋32DNA其它構(gòu)象的發(fā)現(xiàn)

后來(lái)，K.Dickerson等人用人工合成的多聚脫氧核糖核苷酸（十二聚體）晶體進(jìn)行X射線衍射分析后，認(rèn)為這種十二聚體的結(jié)構(gòu)與Watson和Crick模型非常相似，但在結(jié)構(gòu)上并不像Watson-Crick模型那樣均一。這是由于堿基序列不同，以致在局部結(jié)構(gòu)上有較大差異。

DNA其它構(gòu)象的發(fā)現(xiàn)后來(lái)，K.Dickerson等33Dickerson結(jié)構(gòu)的差異處（1）在Dickerson的十二聚體中，兩個(gè)堿基之間的夾角可由28°至42°不等，實(shí)際平均每一圈含10.4個(gè)堿基對(duì)。分子大小的各參數(shù)也隨序列不同而有變動(dòng)。（2）在Dickerson的十二聚體中，組成堿基對(duì)的兩個(gè)堿基的分布并非在同一平面上，而是堿基對(duì)沿長(zhǎng)軸旋轉(zhuǎn)一定角度，從而使堿基對(duì)的形狀像螺旋槳葉片那樣，故稱為螺旋槳狀扭曲（propellertwisting）。這種結(jié)構(gòu)可提高堿基堆積力，使DNA結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。

Dickerson結(jié)構(gòu)的差異處（1）在Dickerson的十34Dickerson模型中堿基對(duì)的螺旋槳狀扭曲Dickerson模型中堿基對(duì)的螺旋槳狀扭曲35不同類型的DNA雙螺旋

Watson和Crick模型代表DNA鈉鹽在較高濕度下（92%）制得的纖維的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)稱為B型。由于它的水分含量較高，可能比較接近大部分DNA在細(xì)胞中的構(gòu)象。DNA能以多種不同的構(gòu)象存在，除B型外通常還有A型、C型、D型、E型，以及左手螺旋的Z型。其中A型和B型是DNA的兩種基本的構(gòu)象，C型、D型、E型與B型類似，Z型則比較特殊。不同類型的DNA雙螺旋Watson和Crick模型代36A－DNA在相對(duì)濕度75%以下獲得的DNA纖維的X射線衍射分析表明，這種DNA纖維具有不同于B型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，稱為A型。A－DNA也是由兩條反向的多核苷酸鏈組成的右手雙螺旋，但螺體較寬而短，堿基對(duì)與中心軸有19°的傾角。RNA分子的雙螺旋區(qū)以及RNA－DNA雜合雙鏈也具有與A－DNA相似的結(jié)構(gòu)。

A－DNA在相對(duì)濕度75%以下獲得的DNA纖維的X射37DNA雙螺旋的A、B、Z型DNA雙螺旋的A、B、Z型38DNA雙螺旋的大小溝

在A－DNA中，堿基對(duì)傾角大，并偏向雙螺旋的邊緣，給出一個(gè)深且狹的大溝和一個(gè)寬且淺的小溝。而B(niǎo)－DNA中大溝比小溝寬，但深度相近。Z－DNA只有小溝，沒(méi)有大溝。DNA雙螺旋的大小溝在A－DNA中，堿基對(duì)傾角大，并39DNA雙螺旋的A、B、Z型A型B型Z型DNA雙螺旋的A、B、Z型A型40DNA中糖環(huán)的構(gòu)象核糖的呋喃糖環(huán)并非平面，糖環(huán)上通常有一個(gè)或兩個(gè)原子偏離平面。若偏離的原子偏向C5’一側(cè)稱為內(nèi)式，若偏向另一側(cè)稱為外式。A型DNA的糖環(huán)為C3’內(nèi)式，B型為C2’內(nèi)式。A型B型DNA中糖環(huán)的構(gòu)象核糖的呋喃糖環(huán)并非平面，糖環(huán)上通常41DNA中堿基的順?lè)礃?gòu)象堿基平面繞N－糖苷鍵旋轉(zhuǎn)就產(chǎn)生順式（syn）和反式（anti）構(gòu)象，反式構(gòu)象是指嘌呤的六元環(huán)或嘧啶的2位O遠(yuǎn)離糖鏈方向，順式構(gòu)象是指它們靠近糖鏈方向。DNA中堿基的順?lè)礃?gòu)象堿基平面繞N－糖苷鍵旋轉(zhuǎn)就產(chǎn)生42DNA中堿基的順?lè)礃?gòu)象順式反式反式DNA中堿基的順?lè)礃?gòu)象順式反式43DNA中堿基的順?lè)礃?gòu)象B－DNA中堿基的反式構(gòu)象Z－DNA中堿基的順式構(gòu)象DNA中堿基的順?lè)礃?gòu)象B－DNA中堿基的反式構(gòu)象44B型DNA中堿基的反式構(gòu)象B型DNA中堿基的反式構(gòu)象45Z－DNA

A.Rich在研究人工合成的d（CGCGCG）寡核苷酸結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)了DNA左手螺旋的結(jié)構(gòu)，它每12個(gè)堿基對(duì)為一圈，螺距4.56nm，只有小溝。dC是C2’內(nèi)式、堿基反式；dG是C3’內(nèi)式，堿基順式。磷酸和糖的骨架呈現(xiàn)Z字形走向。隨后發(fā)現(xiàn)天然DNA局部也有Z型結(jié)構(gòu)。Z型DNA的序列必須含鳥(niǎo)嘌呤，并且嘌呤堿和嘧啶堿交替出現(xiàn)。

各型DNA可在一定條件下相互轉(zhuǎn)變。

Z－DNAA.Rich在研究人工合成的d（CGCG46B型DNA中的局部Z型結(jié)構(gòu)B型DNA中的局部Z型結(jié)構(gòu)47A、B、Z型

DNA結(jié)構(gòu)參數(shù)的比較A、B、Z型DNA結(jié)構(gòu)參數(shù)的比較48DNA三股螺旋早在20世紀(jì)50年代雙螺旋發(fā)現(xiàn)之后不久，就觀察到了一些人工合成的寡核苷酸能夠形成三股螺旋（triplex），寡核苷酸包括核糖核苷酸和脫氧核糖核苷酸。K.Hoogsteen于1963年首先描述了三股螺旋結(jié)構(gòu)。在三股螺旋中，通常是一條同型寡核苷酸鏈與寡嘧啶核苷酸－寡嘌呤核苷酸雙螺旋的大溝結(jié)合。第三股鏈的堿基可與Watson-Crick堿基對(duì)中的嘌呤堿形成Hoogsteen配對(duì)。第三股鏈與寡嘌呤核苷酸之間為同向平行。DNA三股螺旋早在20世紀(jì)50年代雙螺旋發(fā)現(xiàn)之后不久49Hoogsteen配對(duì)×3333Hoogsteen配對(duì)×333350DNA三股螺旋圖三股螺旋中的第三股可以來(lái)自分子間，也可以來(lái)自分子內(nèi)。

DNA三股螺旋圖三股螺旋中的第三股可以來(lái)自分子間，也可以來(lái)自51DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)

DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)是指雙螺旋的DNA分子通過(guò)扭曲和折疊形成特定的構(gòu)象，包括不同二級(jí)結(jié)構(gòu)單元間的相互作用、單鏈與二級(jí)結(jié)構(gòu)單元間的相互作用，以及DNA的拓?fù)涮卣?。超螺旋是三?jí)結(jié)構(gòu)的一種主要形式。

DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)是指雙螺旋的DNA分52DNA超螺旋的產(chǎn)生

當(dāng)DNA雙螺旋分子在溶液中以一定構(gòu)象自由存在時(shí)，雙螺旋處于能量最低狀態(tài)，此為松弛態(tài)。如果使這種正常的DNA分子額外地多轉(zhuǎn)幾圈或少轉(zhuǎn)幾圈，就會(huì)使雙螺旋中存在張力。當(dāng)雙螺旋分子的末端是開(kāi)放的，這種張力可以通過(guò)鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)而釋放出來(lái)，DNA將恢復(fù)成正常的松弛態(tài)雙螺旋。但如果DNA分子的兩端是固定的，或者是環(huán)狀分子，這種額外的張力就不能釋放，DNA分子本身就會(huì)發(fā)生扭曲，用以抵消張力。這種扭曲稱為超螺旋。DNA超螺旋的產(chǎn)生當(dāng)DNA雙螺旋分子在溶液中以一定構(gòu)53電話線的超螺旋電話線的超螺旋54DNA的三種形式從生物體中分離出的DNA有三種形式：線狀DNA（linearDNA）共價(jià)閉合環(huán)DNA（covalentlyclosedcircularDNA，cccDNA）開(kāi)環(huán)DNA（opencircularDNA，ocDNA）

cccDNA常以超螺旋形式存在，ocDNA和linearDNA為松弛態(tài)。

DNA的三種形式從生物體中分離出的DNA有三種形式：55DNA的三種形式linearDNAcccDNAocDNADNA的三種形式linearDNA56DNA的超螺旋形式DNA的超螺旋形式57不同超螺旋程度的雙鏈環(huán)狀DNA超螺旋程度增加不同超螺旋程度的雙鏈環(huán)狀DNA超螺旋程度增加58cccDNA的一些重要拓?fù)鋵W(xué)特性（1）連環(huán)數(shù)（linkingnumber）這是環(huán)狀DNA的一個(gè)很重要的特征。連環(huán)數(shù)指的是在雙螺旋DNA中，一條鏈以右手螺旋繞另一條鏈纏繞的圈數(shù)，以字母L表示。L值不同的相同DNA分子稱為拓?fù)洚悩?gòu)體。拓?fù)洚悩?gòu)酶可以催化拓?fù)洚悩?gòu)體之間的轉(zhuǎn)變。

cccDNA的一些重要拓?fù)鋵W(xué)特性（1）連環(huán)數(shù)（linking59cccDNA的一些重要拓?fù)鋵W(xué)特性（2）扭轉(zhuǎn)數(shù)（twistingnumber）指DNA分子中的Watson-Crick螺旋數(shù)，以T表示。（3）超螺旋數(shù)（numberofturnsofsuperhelix）或纏繞數(shù)（writhingnumber）以W表示。

三者之間的關(guān)系為L(zhǎng)=T+WcccDNA的一些重要拓?fù)鋵W(xué)特性（2）扭轉(zhuǎn)數(shù)（twistin60cccDNA的一些重要拓?fù)鋵W(xué)特性（4）比連環(huán)差（specificlinkingdifference）以λ表示，用以表示DNA的超螺旋程度。λ=（L－L0）/L0式中L為雙螺旋DNA分子的連環(huán)數(shù)，L0為同一DNA分子松弛狀態(tài)時(shí)的連環(huán)數(shù)。λ越大則超螺旋程度越高。天然環(huán)狀DNA分子一般都以負(fù)超螺旋構(gòu)象存在，超螺旋密度（即比連環(huán)差）大約在－0.05左右。

cccDNA的一些重要拓?fù)鋵W(xué)特性（4）比連環(huán)差（specif61拓?fù)洚悩?gòu)體的電泳圖同樣大小的DNAL值遞減1拓?fù)洚悩?gòu)體的電泳圖同樣大小的DNAL值遞減162環(huán)狀DNA的正超螺旋環(huán)狀DNA的正超螺旋63環(huán)狀DNA的負(fù)超螺旋環(huán)狀DNA的負(fù)超螺旋64環(huán)狀DNA的不同構(gòu)象負(fù)超螺旋為右手螺旋，正超螺旋為左手螺旋。環(huán)狀DNA的不同構(gòu)象負(fù)超螺旋為右手螺旋，正超螺旋為左手螺旋。65線狀DNA的負(fù)超螺旋L=-2,負(fù)超螺旋為左手螺旋，正超螺旋為右手螺旋。線狀DNA的負(fù)超螺旋L=-2,負(fù)超螺旋為左手螺旋，正超螺旋為66染色體DNA中的超螺旋染色體DNA中的超螺旋67拓?fù)洚悩?gòu)酶的作用拓?fù)洚悩?gòu)酶有兩種類型，Ⅰ型酶能使雙鏈超螺旋DNA轉(zhuǎn)變成松弛型環(huán)狀DNA，每一次催化作用可消除一個(gè)負(fù)超螺旋，即使L值增加1。Ⅱ型酶剛好相反，可使松弛型環(huán)狀DNA轉(zhuǎn)變成負(fù)超螺旋DNA，每催化一次使L值減少2。

拓?fù)洚悩?gòu)酶的作用拓?fù)洚悩?gòu)酶有兩種類型，Ⅰ型酶能使雙鏈68DNA的十字結(jié)構(gòu)有反向重復(fù)序列時(shí)可形成十字結(jié)構(gòu)DNA的十字結(jié)構(gòu)有反向重復(fù)序列時(shí)可形成十字結(jié)構(gòu)69DNA與蛋白質(zhì)復(fù)合物的結(jié)構(gòu)

生物體內(nèi)的核酸通常都與蛋白質(zhì)結(jié)合形成復(fù)合物，以核蛋白的形式存在。DNA存在于病毒顆粒中，細(xì)菌的擬核中，真核細(xì)胞的細(xì)胞核和線粒體、葉綠體中。由于DNA分子很長(zhǎng)，必須以某種方式盤(pán)繞折疊后才能容納于上述結(jié)構(gòu)中。

DNA與蛋白質(zhì)復(fù)合物的結(jié)構(gòu)生物體內(nèi)的核酸通常都與蛋白70病毒的結(jié)構(gòu)噬菌體fd噬菌體T2動(dòng)物病毒病毒的結(jié)構(gòu)噬菌體fd噬菌體T2動(dòng)物病毒71細(xì)菌中的DNA細(xì)菌中的DNA72細(xì)菌擬核的突環(huán)結(jié)構(gòu)細(xì)菌擬核的突環(huán)結(jié)構(gòu)73黑腹果蠅染色質(zhì)的電鏡照片黑腹果蠅染色質(zhì)的電鏡照片74真核生物染色體的核小體結(jié)構(gòu)

染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位是核小體（nucleosome），核小體的核心是一個(gè)蛋白質(zhì)八聚體，由組蛋白H2A、H2B、H3和H4各2個(gè)組成，DNA以左手螺旋在組蛋白核心上盤(pán)繞1.8圈，共146bp。核小體之間連接DNA的長(zhǎng)度隨不同核小體而略有不同，平均每個(gè)核小體占DNA200bp。真核生物染色體的核小體結(jié)構(gòu)染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位是核小75真核生物染色體DNA組裝的不同層次的結(jié)構(gòu)真核生物染色體DNA組裝的不同層次的結(jié)構(gòu)76四、RNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)四、RNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)77tRNA

tRNA在蛋白質(zhì)生物合成中具有轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸和識(shí)別密碼子的作用，它攜帶特定的氨基酸通過(guò)反密碼子與密碼子的識(shí)別，按照遺傳密碼的規(guī)定合成肽鏈，將遺傳信息從RNA傳到蛋白質(zhì)。細(xì)胞內(nèi)的tRNA種類很多，每一種氨基酸都有對(duì)應(yīng)的一種或幾種tRNA。

tRNAtRNA在蛋白質(zhì)生物合成中具有轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸和識(shí)78tRNA三葉草形二級(jí)結(jié)構(gòu)模型不同的tRNA由73~94個(gè)核苷酸組成氨基酸臂二氫U環(huán)（D環(huán)）TψC環(huán)額外環(huán)（可變環(huán)）反密碼子環(huán)反密碼子tRNA三葉草形二級(jí)結(jié)構(gòu)模型不同的tRNA由73~94個(gè)核苷79二氫尿嘧啶核苷和假尿嘧啶核苷結(jié)構(gòu)式二氫尿嘧啶核苷假尿嘧啶核苷DHUψ二氫尿嘧啶核苷和假尿嘧啶核苷結(jié)構(gòu)式二氫尿嘧啶核苷80tRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)tRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)81tRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)反密碼子環(huán)二氫U環(huán)（D環(huán)）TψC環(huán)氨基酸臂額外環(huán)（可變環(huán)）tRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)反密碼子環(huán)二氫U環(huán)TψC環(huán)氨基酸臂額8216SrRNA和5SrRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)16SrRNA和5SrRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)83第13章核酸的結(jié)構(gòu)(Structureofnucleicacid)一、核苷酸二、核酸的共價(jià)結(jié)構(gòu)三、DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)四、RNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)第13章核酸的結(jié)構(gòu)(Structureofnuclei84核酸的組成成分核糖堿基核苷酸核糖核酸RNA核苷磷酸聚合脫氧核糖堿基

脫氧核苷酸

脫氧核糖核酸DNA脫氧核苷磷酸聚合核酸的組成成分核糖核苷酸核糖核酸核苷磷酸聚合脫氧核糖脫氧85一、核苷酸一、核苷酸86核酸中的堿基種類DNARNA嘌呤堿腺嘌呤鳥(niǎo)嘌呤腺嘌呤鳥(niǎo)嘌呤嘧啶堿胞嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶尿嘧啶核酸中的堿基種類DNARNA嘌呤堿腺嘌呤腺嘌呤嘧啶堿胞嘧啶胞87嘌呤環(huán)和嘧啶環(huán)的結(jié)構(gòu)嘌呤環(huán)和嘧啶環(huán)的結(jié)構(gòu)88核酸中的嘌呤和嘧啶核酸中的嘌呤和嘧啶89堿基酮式和烯醇式的互變異構(gòu)堿基酮式和烯醇式的互變異構(gòu)90稀有堿基稀有堿基91幾種嘌呤堿基

次黃嘌呤（I）黃嘌呤（X）尿酸

茶葉堿可可堿咖啡堿幾種嘌呤堿基次黃嘌呤（I）黃嘌呤92核糖和脫氧核糖核糖（鏈?zhǔn)剑┖颂牵ōh(huán)式）脫氧核糖（鏈?zhǔn)剑┟撗鹾颂牵ōh(huán)式）核糖和脫氧核糖核糖（鏈?zhǔn)剑┖颂牵ōh(huán)式）脫氧核糖（鏈93核苷

(nucleoside)糖苷鍵堿基上的原子以數(shù)字編號(hào)，核糖上的原子以加撇的數(shù)字編號(hào)。核苷(nucleoside)糖苷鍵堿基上的原子以數(shù)字編號(hào)，94DNA和RNA中的各種核苷DNA和RNA中的各種核苷95核苷酸

(nucleotide)核苷酸(nucleotide)96核苷酸

(nucleotide)5’-腺苷酸3’-腺苷酸2’-腺苷酸核苷酸(nucleotide)5’-腺苷酸97多磷酸核苷酸多磷酸核苷酸98環(huán)化核苷酸（cAMP）（cGMP）環(huán)化核苷酸（cAMP）99二、核酸的共價(jià)結(jié)構(gòu)5’3’二、核酸的共價(jià)結(jié)構(gòu)5’3’100核酸中核苷酸的連接方式5’3’核酸中核苷酸的連接方式5’3’101核酸結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)寫(xiě)式5’3’核酸結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)寫(xiě)式5’3’102兩種磷酸二酯酶的水解位點(diǎn)兩種磷酸二酯酶的水解位點(diǎn)103三、DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)

Chargaff

等在20世紀(jì)40年代應(yīng)用紙層析及紫外分光光度技術(shù)測(cè)定各種生物DNA的堿基組成，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，DNA的堿基組成具有生物種的特異性。不同物種的DNA有其獨(dú)特的堿基組成，而同一物種不同組織和器官的DNA堿基組成是一樣的，不受生長(zhǎng)發(fā)育、營(yíng)養(yǎng)狀況以及環(huán)境條件的影響。

DNA堿基組成的Chargaff規(guī)則三、DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)Chargaff等在20世紀(jì)4104不同生物DNA的堿基組成Ⅰ不同生物DNA的堿基組成Ⅰ105不同生物DNA的堿基組成Ⅱ（1）A=T（2）G=C（3）嘌呤堿基的總數(shù)等于嘧啶堿基的總數(shù)，即A+G=C+T。這個(gè)規(guī)則為Watson和Crick提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)提供了重要根據(jù)。

不同生物DNA的堿基組成Ⅱ（1）A=T（2）G=106DNA的X光衍射圖DNA的X光衍射圖107DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)Ⅰ

1953年，Watson和Crick提出了DNA分子的雙螺旋模型，并因此和威爾金斯一起分享了1962年的諾貝爾醫(yī)學(xué)或生理學(xué)獎(jiǎng)。DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)Ⅰ1953年，Watson和Cric108DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)ⅠDNA分子雙螺旋模型具有以下特征：（1）兩條反向平行的多核苷酸鏈圍繞同一中心軸相互纏繞，兩條鏈均為右手螺旋。（2）嘌呤與嘧啶堿位于雙螺旋的內(nèi)側(cè)，磷酸與核糖形成的主鏈在外側(cè)，堿基平面與縱軸垂直，糖環(huán)平面與縱軸平行。兩條鏈的配對(duì)偏向一側(cè)，形成一條大溝和一條小溝。DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)ⅠDNA分子雙螺旋模型具有以下特征：109DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)110DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)Ⅱ（3）雙螺旋的平均直徑為2nm，兩個(gè)相鄰的堿基對(duì)之間相距的高度，即堿基堆積距離為0.34nm，兩個(gè)核苷酸之間的夾角為36°。因此，沿中心軸每旋轉(zhuǎn)一圈有10個(gè)核苷酸，每一圈的高度（螺距）為3.4nm。（4）兩條核苷酸鏈依靠彼此堿基之間形成的氫鍵而結(jié)合在一起，A必須與T配對(duì)，G必須與C配對(duì)。AT之間形成兩個(gè)氫鍵，GC之間形成3個(gè)氫鍵。（5）堿基在一條鏈上的排列順序不受任何限制，但根據(jù)堿基配對(duì)的原則，當(dāng)一條鏈上的堿基序列確定后，另一條鏈上的堿基序列必須與之互補(bǔ)。兩條鏈互為互補(bǔ)鏈。

DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)Ⅱ（3）雙螺旋的平均直徑為2nm，兩個(gè)相鄰的111配對(duì)堿基之間的氫鍵配對(duì)堿基之間的氫鍵112配對(duì)堿基之間的氫鍵配對(duì)堿基之間的氫鍵113堿基堆積力

Thebasesarestackedontheinsideofthestructure;theseheterocyclicbases,asaconsequenceoftheirπ-electronclouds,arehydrophobicontheirflatsides.堿基堆積力Thebasesarestacked114堿基堆積力使DNA成為雙螺旋

堿基堆積力使DNA成為雙螺旋115DNA其它構(gòu)象的發(fā)現(xiàn)

后來(lái)，K.Dickerson等人用人工合成的多聚脫氧核糖核苷酸（十二聚體）晶體進(jìn)行X射線衍射分析后，認(rèn)為這種十二聚體的結(jié)構(gòu)與Watson和Crick模型非常相似，但在結(jié)構(gòu)上并不像Watson-Crick模型那樣均一。這是由于堿基序列不同，以致在局部結(jié)構(gòu)上有較大差異。

DNA其它構(gòu)象的發(fā)現(xiàn)后來(lái)，K.Dickerson等116Dickerson結(jié)構(gòu)的差異處（1）在Dickerson的十二聚體中，兩個(gè)堿基之間的夾角可由28°至42°不等，實(shí)際平均每一圈含10.4個(gè)堿基對(duì)。分子大小的各參數(shù)也隨序列不同而有變動(dòng)。（2）在Dickerson的十二聚體中，組成堿基對(duì)的兩個(gè)堿基的分布并非在同一平面上，而是堿基對(duì)沿長(zhǎng)軸旋轉(zhuǎn)一定角度，從而使堿基對(duì)的形狀像螺旋槳葉片那樣，故稱為螺旋槳狀扭曲（propellertwisting）。這種結(jié)構(gòu)可提高堿基堆積力，使DNA結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。

Dickerson結(jié)構(gòu)的差異處（1）在Dickerson的十117Dickerson模型中堿基對(duì)的螺旋槳狀扭曲Dickerson模型中堿基對(duì)的螺旋槳狀扭曲118不同類型的DNA雙螺旋

Watson和Crick模型代表DNA鈉鹽在較高濕度下（92%）制得的纖維的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)稱為B型。由于它的水分含量較高，可能比較接近大部分DNA在細(xì)胞中的構(gòu)象。DNA能以多種不同的構(gòu)象存在，除B型外通常還有A型、C型、D型、E型，以及左手螺旋的Z型。其中A型和B型是DNA的兩種基本的構(gòu)象，C型、D型、E型與B型類似，Z型則比較特殊。不同類型的DNA雙螺旋Watson和Crick模型代119A－DNA在相對(duì)濕度75%以下獲得的DNA纖維的X射線衍射分析表明，這種DNA纖維具有不同于B型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，稱為A型。A－DNA也是由兩條反向的多核苷酸鏈組成的右手雙螺旋，但螺體較寬而短，堿基對(duì)與中心軸有19°的傾角。RNA分子的雙螺旋區(qū)以及RNA－DNA雜合雙鏈也具有與A－DNA相似的結(jié)構(gòu)。

A－DNA在相對(duì)濕度75%以下獲得的DNA纖維的X射120DNA雙螺旋的A、B、Z型DNA雙螺旋的A、B、Z型121DNA雙螺旋的大小溝

在A－DNA中，堿基對(duì)傾角大，并偏向雙螺旋的邊緣，給出一個(gè)深且狹的大溝和一個(gè)寬且淺的小溝。而B(niǎo)－DNA中大溝比小溝寬，但深度相近。Z－DNA只有小溝，沒(méi)有大溝。DNA雙螺旋的大小溝在A－DNA中，堿基對(duì)傾角大，并122DNA雙螺旋的A、B、Z型A型B型Z型DNA雙螺旋的A、B、Z型A型123DNA中糖環(huán)的構(gòu)象核糖的呋喃糖環(huán)并非平面，糖環(huán)上通常有一個(gè)或兩個(gè)原子偏離平面。若偏離的原子偏向C5’一側(cè)稱為內(nèi)式，若偏向另一側(cè)稱為外式。A型DNA的糖環(huán)為C3’內(nèi)式，B型為C2’內(nèi)式。A型B型DNA中糖環(huán)的構(gòu)象核糖的呋喃糖環(huán)并非平面，糖環(huán)上通常124DNA中堿基的順?lè)礃?gòu)象堿基平面繞N－糖苷鍵旋轉(zhuǎn)就產(chǎn)生順式（syn）和反式（anti）構(gòu)象，反式構(gòu)象是指嘌呤的六元環(huán)或嘧啶的2位O遠(yuǎn)離糖鏈方向，順式構(gòu)象是指它們靠近糖鏈方向。DNA中堿基的順?lè)礃?gòu)象堿基平面繞N－糖苷鍵旋轉(zhuǎn)就產(chǎn)生125DNA中堿基的順?lè)礃?gòu)象順式反式反式DNA中堿基的順?lè)礃?gòu)象順式反式126DNA中堿基的順?lè)礃?gòu)象B－DNA中堿基的反式構(gòu)象Z－DNA中堿基的順式構(gòu)象DNA中堿基的順?lè)礃?gòu)象B－DNA中堿基的反式構(gòu)象127B型DNA中堿基的反式構(gòu)象B型DNA中堿基的反式構(gòu)象128Z－DNA

A.Rich在研究人工合成的d（CGCGCG）寡核苷酸結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)了DNA左手螺旋的結(jié)構(gòu)，它每12個(gè)堿基對(duì)為一圈，螺距4.56nm，只有小溝。dC是C2’內(nèi)式、堿基反式；dG是C3’內(nèi)式，堿基順式。磷酸和糖的骨架呈現(xiàn)Z字形走向。隨后發(fā)現(xiàn)天然DNA局部也有Z型結(jié)構(gòu)。Z型DNA的序列必須含鳥(niǎo)嘌呤，并且嘌呤堿和嘧啶堿交替出現(xiàn)。

各型DNA可在一定條件下相互轉(zhuǎn)變。

Z－DNAA.Rich在研究人工合成的d（CGCG129B型DNA中的局部Z型結(jié)構(gòu)B型DNA中的局部Z型結(jié)構(gòu)130A、B、Z型

DNA結(jié)構(gòu)參數(shù)的比較A、B、Z型DNA結(jié)構(gòu)參數(shù)的比較131DNA三股螺旋早在20世紀(jì)50年代雙螺旋發(fā)現(xiàn)之后不久，就觀察到了一些人工合成的寡核苷酸能夠形成三股螺旋（triplex），寡核苷酸包括核糖核苷酸和脫氧核糖核苷酸。K.Hoogsteen于1963年首先描述了三股螺旋結(jié)構(gòu)。在三股螺旋中，通常是一條同型寡核苷酸鏈與寡嘧啶核苷酸－寡嘌呤核苷酸雙螺旋的大溝結(jié)合。第三股鏈的堿基可與Watson-Crick堿基對(duì)中的嘌呤堿形成Hoogsteen配對(duì)。第三股鏈與寡嘌呤核苷酸之間為同向平行。DNA三股螺旋早在20世紀(jì)50年代雙螺旋發(fā)現(xiàn)之后不久132Hoogsteen配對(duì)×3333Hoogsteen配對(duì)×3333133DNA三股螺旋圖三股螺旋中的第三股可以來(lái)自分子間，也可以來(lái)自分子內(nèi)。

DNA三股螺旋圖三股螺旋中的第三股可以來(lái)自分子間，也可以來(lái)自134DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)

DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)是指雙螺旋的DNA分子通過(guò)扭曲和折疊形成特定的構(gòu)象，包括不同二級(jí)結(jié)構(gòu)單元間的相互作用、單鏈與二級(jí)結(jié)構(gòu)單元間的相互作用，以及DNA的拓?fù)涮卣?。超螺旋是三?jí)結(jié)構(gòu)的一種主要形式。

DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)是指雙螺旋的DNA分135DNA超螺旋的產(chǎn)生

當(dāng)DNA雙螺旋分子在溶液中以一定構(gòu)象自由存在時(shí)，雙螺旋處于能量最低狀態(tài)，此為松弛態(tài)。如果使這種正常的DNA分子額外地多轉(zhuǎn)幾圈或少轉(zhuǎn)幾圈，就會(huì)使雙螺旋中存在張力。當(dāng)雙螺旋分子的末端是開(kāi)放的，這種張力可以通過(guò)鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)而釋放出來(lái)，DNA將恢復(fù)成正常的松弛態(tài)雙螺旋。但如果DNA分子的兩端是固定的，或者是環(huán)狀分子，這種額外的張力就不能釋放，DNA分子本身就會(huì)發(fā)生扭曲，用以抵消張力。這種扭曲稱為超螺旋。DNA超螺旋的產(chǎn)生當(dāng)DNA雙螺旋分子在溶液中以一定構(gòu)136電話線的超螺旋電話線的超螺旋137DNA的三種形式從生物體中分離出的DNA有三種形式：線狀DNA（linearDNA）共價(jià)閉合環(huán)DNA（covalentlyclosedcircularDNA，cccDNA）開(kāi)環(huán)DNA（opencircularDNA，ocDNA）

cccDNA常以超螺旋形式存在，ocDNA和linearDNA為松弛態(tài)。

DNA的三種形式從生物體中分離出的DNA有三種形式：138DNA的三種形式linearDNAcccDNAocDNADNA的三種形式linearDNA139DNA的超螺旋形式DNA的超螺旋形式140不同超螺旋程度的雙鏈環(huán)狀DNA超螺旋程度增加不同超螺旋程度的雙鏈環(huán)狀DNA超螺旋程度增加141cccDNA的一些重要拓?fù)鋵W(xué)特性（1）連環(huán)數(shù)（linkingnumber）這是環(huán)狀DNA的一個(gè)很重要的特征。連環(huán)數(shù)指的是在雙螺旋DNA中，一條鏈以右手螺旋繞另一條鏈纏繞的圈數(shù)，以字母L表示。L值不同的相同DNA分子稱為拓?fù)洚悩?gòu)體。拓?fù)洚悩?gòu)酶可以催化拓?fù)洚悩?gòu)體之間的轉(zhuǎn)變。

cccDNA的一些重要拓?fù)鋵W(xué)特性（1）連環(huán)數(shù)（linking142cccDNA的一些重要拓?fù)鋵W(xué)特性（2）扭轉(zhuǎn)數(shù)（twistingnumber）指DNA分子中的Watson-Crick螺旋數(shù)，以T表示。（3）超螺旋數(shù)（numberofturnsofsuperhelix）或纏繞數(shù)（writhingnumber）以W表示。

三者之間的關(guān)系為L(zhǎng)=T+WcccDNA的一些重要拓?fù)鋵W(xué)特性（2）扭轉(zhuǎn)數(shù)（twistin143cccDNA的一些重要拓?fù)鋵W(xué)特性（4）比連環(huán)差（specificlinkingdifference）以λ表示，用以表示DNA的超螺旋程度。λ=（L－L0）/L0式中L為雙螺旋DNA分子的連環(huán)數(shù)，L0為同一DNA分子松弛狀態(tài)時(shí)的連環(huán)數(shù)。λ越大則超螺旋程度越高。天然環(huán)狀DNA分子一般都以負(fù)超螺旋構(gòu)象存在，超螺旋密度（即比連環(huán)差）大約在－0.05左右。

cccDNA的一些重要拓?fù)鋵W(xué)特性（4）比連環(huán)差（specif144拓?fù)洚悩?gòu)體的電泳圖同樣大小的DNAL值遞減1拓?fù)洚悩?gòu)體的電泳圖同樣大小的DNAL值遞減1